分析討論

其光響應問題之可能原因，我們推測其問題可能出在結構尺寸的差異、溫度 的影響、製程方法以及樣品成長的品質。首先懷疑是結構尺寸的差異，即共振腔 的厚度不對，根據製程結果(即表 4.2)，且無 SiO2與 Ge，並將模擬的 InAs 薄膜 的消光係數 k 設定以 7.69 µm 為中心，再一次利用模擬軟體來模擬實際結構對於 元件吸收的影響，結果如圖 4.25，發現雖然在厚度不對以及缺少 GMR 反射鏡的 情況下，儘管增強的幅度有限，但有 DBR 的元件吸收的情形仍較無共振腔的元 件為佳，因此我們推測厚度變薄並不是造成無增強的主因。

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圖 4.25、吸收中心為 7.69 µm，以實際厚度模擬的吸收頻譜，

其中紅實線為 DBR-QDIP，黑虛線為無共振腔之 QDIP

第二，我們考慮溫度對材料折射率的影響，以 GaAs 為例，根據參考文獻 [42]，其 ∆n/∆T 約為 2×10^-4，故考慮 300 K 降至 15 K 的 ∆n 則為-0.057，RCE-QDIP 的模擬元件吸收率從 60%降至約 34%(模擬結果沒展示)，故溫度的影響應該考慮 進來。接著模擬溫度分別在 300 K 與 15 K 下的 DBR-QDIP，其結果如圖 4.26，

可發現溫度的確會使吸收率下降，不過仍較於 15 K 的 QDIP 佳，因此我們推測 溫度對材料折射率的影響會使增強效果下降，但因無法確定 Al2O3其折射係數與 溫度之關係，故仍無法確定是否為造成無增強的主因。

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圖 4.26、吸收中心為 7.69 μm，以實際厚度模擬的吸收頻譜，

紅線為 300 K 之 DBR-QDIP，藍虛線為 15 K 之 DBR-QDIP，黑虛線為 15 K 之 QDIP

第三，我們懷疑是製程方法造成的，跟已往製作 QDIP 的流程相比，唯一不 同且最有可能影響元件特性，是經過高溫爐管氧化而導致元件劣化，因此我們製 作未經氧化步驟的 QDIP，只製作元件隔離、光窗與電極，此次元件的光窗大小 為 200 200 µm²，且金屬電極為 Ni/Ge/Au (30 nm/70 nm/200 nm)，並 RTA 約 420

℃持平 35 秒而形成的歐姆接觸，其 15 K 的量測結果如圖 4.27、圖 4.28、圖 4.29 所示。從量測結果來看，雖然 Device 1、2 與 3 所表現的偵測波長都約在 7.5 µm 與 8.3 µm 附近(圖 4.27)，但元件特性不盡相同(圖 4.28)，因此推測並非是高溫氧 化而導致劣化，而這次元件的偵測波長在約 7.5 µm 與 8.3 µm 附近，與之前的偵 測波長不同，其原因目前無法定論。因此最後推測其樣品在成長時品質就有問 題，但未來仍需要進一步確認。另外，由於實驗樣本數只有兩個，以及兩者的 I-V 特性不同亦代表他們的元件特性可能本來就不相同，因此很難以同個基準來比 較，因此 DBR 是否真的無效目前也無定論。

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圖 4.27、溫度在 15 K 下，未經氧化步驟之 QDIP 的背景光電流量測結果

圖 4.28、溫度在 15 K 下，未經氧化步驟之 QDIP 的光響應頻譜 (a) Device 1，(b) Device 2，(c) Device 3

(a) (b)

(c)

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圖 4.29、溫度在 15 K 下，未經氧化步驟之 QDIP 的光響應與偏壓關係圖

4.5 小結 小結 小結 小結

關於製程，為了做出 Al2O3/GaAs DBR，我們完成一個溼式氧化系統，能使 Al0.98Ga0.2As 在 440 ℃時有 0.5 µm/min 的氧化速率。另外，在元件製作上面臨 到很多問題，經過一連串的嘗試與改進後，可量測的元件總算順利完成，然而最 大的問題則是卡在打線上，導致能量測的元件太少，而在樣品本身及製程方法的 細節上，也仍然有些地方需要改進。

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第 第

第 第 5 55 5 章 章 章 章 總結 總結 總結 總結及未來展望 及未來展望 及未來展望 及未來展望

本論文設計出一個偵測波段在 8 µm，整體厚度約為 7.7 µm 的共振腔增強型 量子點紅外線偵測器，其結構是以波導模態共振反射鏡與分佈式布拉格反射鏡所 組成的共振腔。根據模擬結果，其元件吸收率最大值為 59%至 78%，並且與無 共振腔的偵測器相比，其增強因子為 7 至 20 倍。另一方面，在製程與量測上面 臨到很多問題，在經過一連串的嘗試與改進後，元件良率依舊太低，仍無法從量 測結果看到共振腔增強的效果。不過只要再進一步地改善磊晶與製程技術，我們 相信在不久的將來具備高量子效率的量子點紅外線偵測器是可實現的。

上述的共振腔結構透過模擬驗證雖然可行，但若考量到未來元件尺寸會不斷 微縮，光柵所需的週期數將會無法達到，導致共振腔將無法如預期地增強偵測器 的吸收率，另外我們只考量到單一元件的情形，而這樣的結構在紅外線影像技術 方面上卻出現一個問題，即是製作成焦平面陣列(focal plane array)時的填充因子 較低，因此為了避免那兩個問題，我們亦提出了新共振腔結構，並改為由背向入 射收光，反射鏡分別是 Au 反射鏡與 DBR(其結構如圖 5.1)，透過初步模擬所得 的結果如圖 5.2，其元件特性亦有大幅的提升，製作方式也較簡易，可應用在高 填充因子的焦平面陣列上；或考慮使用 Au 反射鏡與 GMR 反射鏡，由背向入射 收光，其優點為可避免氧化後的 DBR 經過降溫後其機械強度的弱化，導致 DBR 剝落等行為發生，雖然需考慮光柵週期數不足的問題，但應該可透過設計新的光 柵來解決此問題，進而能作成陣列。

QDIP 在目前的發展上，還無法完全取代 MCT 偵測器，故希望未來能以現 有的基礎，繼續向上提高 QDIP 的量子效率，進一步實現能在室溫下操作的 QDIP，以期在單一元件甚至是焦平面陣列[43]上，有更出色的發展。

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圖 5.1、新共振腔結構，其入射光為背面入射

圖 5.2、新共振腔結構之 QDIP(紅實線)與無共振腔之 QDIP(藍虛線)的模擬吸收頻譜

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簡歷 簡歷 簡歷 簡歷

姓名：王繼正 (Chi-Cheng Wang)

性別：男

出生年月日：民國 77 年 12 月 15 日

籍貫：台灣新北市

學歷：

私立竹林高級中學 (2004.9 - 2007.6) 國立彰化師範大學物理學系學士 (2007.9 - 2011.6) 國立交通大學電子工程系碩士 (2011.9 - 2013.10)

碩士論文題目：

具波導模態共振反射鏡之共振腔增強型量子點紅外線偵測器

Resonant Cavity-Enhanced Quantum Dot Infrared Photodetectors with Guided-Mode Resonance Reflector

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發表著作：

[1] K. W. Lai, S. D. Lin, Z. L. Li, and C. C. Wang, “Long-wavelength mid-infrared reflectors using guided-mode resonance,” Appl. Opt. 52, 6906 (2013).

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